Atomski polmer

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Skoči na: navigacija, iskanje
Model helijevega atoma, na katerem je s sivimi odtenki prikazana gostota verjetnosti lege elektrona.

Atomski polmer kemijskega elementa je merilo velikosti njegovega atoma in običajno pomeni tipično razdaljo od jedra do meje elektronskega oblaka, ki ga obdaja. Glede na to, da meja oblaka ni točno definirana fizikalna količina, obstaja več neenakovrednih definicij atomskega polmera.

Izraz se lahko odvisno od definicije uporablja samo za osamljene atome, lahko pa tudi za kondenzirano snov, kovalentno vez v molekuli ter v ionizirana in vzbujena stanja. Vrednost atomskega polmera se lahko dobi eksperimentalno ali se jo izračuna iz teoretičnih modelov. V nekaterih definicijah je vrednost polmera lahko odvisna od atomskega stanja in konteksta.[1]

Pojem atomskega polmera je težko definirati, ker elektroni nimajo definiranih orbital ali ostro omejene svobode gibanja. Njihova lega mora biti zato opisana s porazdelitvijo verjetnosti, ki se postopoma manjša, ko se elektron brez ostre prekinitve oddaljujejo od jedra. Eletronski oblaki se v kondenzirani snovi in molekulah običajno tudi delno prekrivajo, nekaj elektronov pa se lahko prosto giblje po večjem prostoru, ki obdaja dva ali več atomov.

Atomski polmeri izoliranih nevtralnih atomov so v večini definicij kljub konceptualnim težavam na območju od 30 do 300 pm. Polmer atoma je torej več kot 10000 krat večji od polmera njegovega jedra, ki meri 1-10 fm (10-15 m)[2] in manj kot 1/1000 valovne dolžine vidne svetlobe (400-700 nm).

Približna oblika molekuje etanola CH3CH2OH. Atomi elementov so modelirani kot kroglice z van der Waalsovim polmerom.

Za mnoge namene se atomi lahko modelirajo kot kroglice. Takšni modeli so sicer grobi približki, vendar omogočajo kvantitativne razlage in napovedovanje mnogih pojavov, na primer gostoto tekočin in trdnin, difuzijo tekočin skozi molekularna sita, razporeditev atomov in ionov v kristalih ter velikost in obliko molekul.

Atomski polmeri se v periodnem sistemu elementov spreminjajo na predvidljiv iz razložljiv način. Polmeri po periodi (vrstici) od alkalijskih kovin proti žlahtnim plinom na splošno padajo, v posamezni skupini (koloni) navzdol pa rastejo. Polmer atoma od žlahtnega plina na koncu periode do alkalijske kovine na začetku naslednje periode se skokovito poveča. Trende atomskih polmerov, pa tudi drugih kemijskih in fizikalnih lastnosti elementov, se lahko razloži s teorijo elektronskih orbital. Trendi so tudi pomemben dokaz za razvoj in potrditev kvantne teorije.

Definicije[uredi | uredi kodo]

V širši praksi se uporabljajo naslednje definicije atomskega polmera:

  • Van der Waalsov polmer je v načelu polovica minimalne razdalje med jedroma dveh atomov istega elementa, ki nista vezana v isti molekuli.[3]
  • Ionski polmer je nazivni polmer iona elementa v specifičnem ioniziranem stanju. Izpeljan je iz razdalje med atomskimi jedri v ionskem kristalu, v katerega je element vgrajen. Razdalja med dvema sosednjima ionoma z nasprotnima nabojema oziroma dolžina ionske vezi med njima je v načelu enaka vsoti njunih ionskih polmerov.[3]
  • Kovalentni polmer je nazivni polmer atoma elementa, ki je vezan na druge elemente s kovalentno vezjo. Izpeljan je iz razdalj med atomskimi jedri v molekuli. Razdalja med dvema atomoma, ki sta vezana v molekulo, se pravi dolžina kovalentne vezi, je v načelu enaka vsoti njunih kovalentnih polmerov. [3]
  • Bohrov polmer je polmer elektronske orbite z najnižjim energijskim stanjem, ki jo predvideva Bohrov model atoma (1913).[4][5] Uporaben je samo za atome in ione z enim samim elektronom, na primer za vodik, ioniziran helij in pozitron. Bohrov model atoma je sicer že zastarel, Bohrov polmer vodikovega atoma pa se še vedno obravnava kot pomembna fizikalna konstanta.

Empirično izmerjeni atomski polmeri[uredi | uredi kodo]

V naslednji preglednici so prikazani empirično izmerjeni kovalentni polmeri elementov, ki jih je leta 1964 objavil J.C. Slater.[6] Vrednosti so v pikometrih (pm) s točnostjo približno 5 pm.

Skupina 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Perioda
1 H
25
He
 
2 Li
145
Be
105
B
85
C
70
N
65
O
60
F
50
Ne
 
3 Na
180
Mg
150
Al
125
Si
110
P
100
S
100
Cl
100
Ar
 
4 K
220
Ca
180
Sc
160
Ti
140
V
135
Cr
140
Mn
140
Fe
140
Co
135
Ni
135
Cu
135
Zn
135
Ga
130
Ge
125
As
115
Se
115
Br
115
Kr
 
5 Rb
235
Sr
200
Y
180
Zr
155
Nb
145
Mo
145
Tc
135
Ru
130
Rh
135
Pd
140
Ag
160
Cd
155
In
155
Sn
145
Sb
145
Te
140
I
140
Xe
 
6 Cs
260
Ba
215
*
 
Hf
155
Ta
145
W
135
Re
135
Os
130
Ir
135
Pt
135
Au
135
Hg
150
Tl
190
Pb
180
Bi
160
Po
190
At
 
Rn
 
7 Fr
 
Ra
215
**
 
Rf
 
Db
 
Sg
 
Bh
 
Hs
 
Mt
 
Ds
 
Rg
 
Cn
 
Uut
 
Uuq
 
Uup
 
Uuh
 
Uus
 
Uuo
 
Lantanoidi *
 
La
195
Ce
185
Pr
185
Nd
185
Pm
185
Sm
185
Eu
185
Gd
180
Tb
175
Dy
175
Ho
175
Er
175
Tm
175
Yb
175
Lu
175
Aktinoidi **
 
Ac
195
Th
180
Pa
180
U
175
Np
175
Pu
175
Am
175
Cm
 
Bk
 
Cf
 
Es
 
Fm
 
Md
 
No
 
Lr
 

Razlaga splošnih trendov[uredi | uredi kodo]

Način, kako atomskih polmeri naraščajo z naraščajočim vrstnim številom, se lahko razloži z razporeditvijo elektronov na elektronskih orbitalah z nespremenljivo kapaciteto. Orbitale se običajno polnijo po vrsti od najbližje do najbolj oddaljene. Z naraščanjem vrstnega števila po posamezni vrstici (periodi) periodnega sistema se negativni vpliv elektronov zaradi njihove vedno večje oddaljenosti od jedra manjša, zato vedno večji pozitivni naboj jedra povzroči zmanjševanje atomskih polmerov. V žlahtnih plinih je najbolj zunanja orbitala polna, zato se bo šel dodatni elektron naslednje alkalijske kovine na novo najbolj zunanjo orbitalo, kar bo povzročilo skokovito povečanje atomskega polmera.

Naraščajoči pozitivni naboj jedra se delno kompenzira z naraščajočim številom elektronov. Pojav se imenuje ščitenje in pojasnjuje naraščanje atomskih polmerov po skupini navzdol. Ščitenje je v dveh primerih (lantanoidna kontrakcija in kontrakcija bloka d) manj učinkovito, zato so atomi manjši kot bi sicer pričakovali.

Najpomembnejši pojavi, ki vplivajo na atomski polmer elementa, so prikazani v naslednji preglednici.

Činitelj Princip Narašča s/z... Trend Vpliv na polmer
elektronske orbitale kvantna mehanika osnovnimi in azimutskimi kvantnimi števili atomski polmer raste narašča po koloni navzdol
naboj jedra protoni jedra privlačijo elektrone vrstno število atomski polmer pada naboj po posamezni periodi pada
ščitenje na elektrone na zunanjih orbitalah deluje odbojna sila notranjih elektronov število elektronskih ovojnic atomski polmer raste zmanjša se vpliv pozitivnega naboja jedra

Lantanoidna kontrakcija[uredi | uredi kodo]

Glavni članek: Lantanoidna kontrakcija.

Elektroni na podorbitali 4f, ki se progresivno polni od cerija (Z = 58) do lutecija (Z = 71), niso posebno učinkoviti pri ščitenju naraščajočega naboja jedra pred bolj zunanjimi podorbitalami. Elementi, ki neposredno sledijo lantanu, imajo zato manjše atomske polmere kot bi pričakovali. Njihovi atomski polmeri so skoraj enaki atomskim polmerom (in kemiji) elementov, ki so v periodnem sistemu neposredno nad njimi:[7] hafnij ima skoraj enak polmer (in kemijo) kot cirkonij, tantal kot niobij in tako naprej. Vpliv lantanoidne kontrakcije je opazen vse do platine (Z = 78), za njo pa ga zamaskira relativistični učinek, poznan kot učinek inertnih parov.

Lantanoidna kontrakcija je vzrok za naslednje pojave:

  • Velikost ionov Ln3+ z naraščajočim vrstnim številom pravilno pada. V skladu s Fajansovimi pravili z manjšanjem velikosti Ln3+ naraščajo kovalentne lastnosti in padajo bazične lastnosti med Ln3+ in OH- ioni v Ln(OH)3. Velikosti Ln3+ padajo v naslednjem zaporedju: La3+ > Ce3+ > ... , ... > Lu3+.
  • Ionski polmeri se z naraščajočim vrstnim številom pravilno manjšajo.
  • Reduktivne lastnosti pravilno padajo.
  • Prehodne kovine iz druge in tretje vrstice bloka d imajo zelo podobne lastnosti.
  • Elementi se v naravnih mineralih pojavljajo skupaj in jih je težko ločiti.

Kontrakcija bloka d[uredi | uredi kodo]

Kontrakcija bloka d je manj prepoznavna kot lantanoidna kontrakcija, vendar izhaja iz istega vzroka. V tem primeru gre za slabo sposobnost ščitenja 3d elektronov, ki vplivajo na atomske polmere in kemijo elementov, ki sledijo prvi vrstici prehodnih kovin, se pravi na elemente od galija (Z = 31) do broma (Z = 35).[7]

Izračunani atomski polmeri[uredi | uredi kodo]

V naslednji preglednici so zbrani atomski polmeri, izračunani iz teoretičnih modelov, ki so jih objavili Enrico Clementi in drugi leta 1967.[8] Dimenzije so v pikometrih.

Skupina 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Perioda
1 H
53
He
31
2 Li
167
Be
112
B
87
C
67
N
56
O
48
F
42
Ne
38
3 Na
190
Mg
145
Al
118
Si
111
P
98
S
88
Cl
79
Ar
71
4 K
243
Ca
194
Sc
184
Ti
176
V
171
Cr
166
Mn
161
Fe
156
Co
152
Ni
149
Cu
145
Zn
142
Ga
136
Ge
125
As
114
Se
103
Br
94
Kr
88
5 Rb
265
Sr
219
Y
212
Zr
206
Nb
198
Mo
190
Tc
183
Ru
178
Rh
173
Pd
169
Ag
165
Cd
161
In
156
Sn
145
Sb
133
Te
123
I
115
Xe
108
6 Cs
298
Ba
253
*
 
Hf
208
Ta
200
W
193
Re
188
Os
185
Ir
180
Pt
177
Au
174
Hg
171
Tl
156
Pb
154
Bi
143
Po
135
At
 
Rn
120
7 Fr
 
Ra
 
**
 
Rf
 
Db
 
Sg
 
Bh
 
Hs
 
Mt
 
Ds
 
Rg
 
Cn
 
Uut
 
Uuq
 
Uup
 
Uuh
 
Uus
 
Uuo
 
Lantanoidi *
 
La
 
Ce
 
Pr
247
Nd
206
Pm
205
Sm
238
Eu
231
Gd
233
Tb
225
Dy
228
Ho
 
Er
226
Tm
222
Yb
222
Lu
217
Aktinoidi **
 
Ac
 
Th
 
Pa
 
U
 
Np
 
Pu
 
Am
 
Cm
 
Bk
 
Cf
 
Es
 
Fm
 
Md
 
No
 
Lr
 

Opombe in sklici[uredi | uredi kodo]

  1. ^ Cotton, F. A., Wilkinson, G. (1988). Advanced Inorganic Chemistry (5th Edn). New York: iley. ISBN 0-471-84997-9. str. 1385.
  2. ^ Jean-Louis Basdevant, James Rich & Michel Spiro (2005). Fundamentals in Nuclear Physics. Springer. str. Fig. 1.1, p. 13. ISBN 0387016724. 
  3. ^ 3,0 3,1 3,2 Pauling, Linus (1945). The Nature of the Chemical Bond. Ithaca, NY: Cornell University Press. 
  4. ^ Niels Bohr (1913), On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I. Philosophical Magazine, volume 26, str. 1–24. Online version.
  5. ^ Niels Bohr (1913), On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II. Philosophical Magazine, volume 26, str. 476–502. Online version.
  6. ^ J. C. Slater (1964), Journal of Chemical Physics, volume 41, str. 3199.
  7. ^ 7,0 7,1 Jolly, William L. (1991). Modern Inorganic Chemistry (2nd Edn.). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-112651-1. str. 22.
  8. ^ E. Clementi, D. L. Raimondi, and W. P. Reinhardt (1967), Journal of Chemical Physics, volume 47, str. 1300.